DE2345784C3

DE2345784C3 - Ladungsgekoppelte Strahlungsfühleranordnung

Info

Publication number: DE2345784C3
Application number: DE2345784A
Authority: DE
Inventors: James Edward East Cranbury Carnes; Walter Frank Skillman Kosonocky
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-09-11
Filing date: 1973-09-11
Publication date: 1979-05-23
Also published as: NL7312152A; DE2345784A1; GB1443718A; FR2199200B1; JPS5122356B2; DE2345784B2; FR2199200A1; JPS4966082A

Description

Es ist vorgeschlagen worden (ältere deutsche Patentanmeldung gemäß Auslegeschrift 23 34 116), das sogenannte Überstrahlen bei Ladungsfühleranordnungen der eingangs beschriebenen Gattung dadurch zu verhindern, daß man jeweils einen Ablaufbereich für die Ladungsträger im Substrat benachbart zu den Ladungsspeicherreihen anordnet, und zwar jenseits von Potenlialschwellen, welche die Ladungsspeicherreihen seitlich begrenzen, und daß man diese Potentialschwellen so bemißt, daß sich etwaige an den Ladungsspeichers teilen vorhandene überschüssige Ladung zu dem Ablaufbereich bewegt In einer besonderen Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung besteht der Ablaufbereich aus einem Halbleiterbereich eines Leitungstyps, der dem Leitungstyp des Substrats entgegengesetzt ist

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einer Strahlungsfühleranordnung der eingangs beschriebenen Gattung Mittel vorzusehen, weiche nicht nur das Überstrahlen wirksam verhindern können, sondern gleichzeitig zusätzliche Steuermöglichkeiten für den Betrieb der Anordnung bieten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Wie bei der vorgeschlagenen Anordnung führt das Vorhandensein einer Sammelschiene und die niedrigere Höhe der seitlichen Potentialschwellen gegenüber den Sperren zwischen den Speicherstellen derselben Reihe dazu, daß jede überschüssige Ladung einer Speicherstelle eher über die seitliche Potentialschwelle zur Sammelschiene fließt, als sich in die benachbarte Speicherstelle der Reihe zu ergießen. Falls die Strahlungsfühleranordnung aus zwei oder mehr benachbarten Reihen von Ladungsspeicherstellen besteht, wird ebenso wie bei der bekannten Anordnung ein Überlaufen in die benachbarte Reihe wirksam verhindert, da die Sammelschiene als Abfluß ausgelegt ist. Die Gefahr von Überstrahlungen wird also ähnlich wie bei der vorgeschlagenen Anordnung vermieden. Durch die erfindungsgemäße Veränderbarkeit der Höhe der seitlich begrenzenden Potentialschwelle durch Verstellen des an die schwellenbildende Elektrode gelegten Potentials kann aber auch das NV. i alten der Strahlungsfühleranordnung den jeweiligen Strahlungsverhältnissen angepaßt werden. So läßt sich beispielsweise das maximale Ladungssignal festlegen, welches während der Belichtungszeit in einem Ladungsspeicherelement gesammelt werden kann. In einer besonderen Ausführungsform kann hierbei das der schwellenbildenden Elektrode angelegte Potential so weit veränderbar sein, daß sich die Höhe der Potentialschwelle zwischen der Ladungsspeicherreihe und der Sammelschiene ausreichend weit verändern läßt, um zumindest den größten Teil der sich ansonsten in den Reihen ansammelnden Ladung zur Sammelschiene abzuleiten. Hierdurch wird gleichsam ein elektronischer Belichtungsverschluß hergestellt, da in diesem Fall als Antwort auf eine einfallende Strahlung praktisch kein verwertbares Ladungssignal in den Reiher, erzeugt wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch das Potential der Sammelschiene veränderbar sein, womit praktisch eine elektronische veränderbare Irisblende geschaffen wird, denn je nach dem Potential der Sammelschiene werden mehr oder weniger optisch erzeugte Ladungsträger direkt zur Sammelschiene gezogen. Solche zusätzlichen Steuermöglichkeiten bestehen bei der weiter oben genannten vorgeschlagenen Anordnung nicht, denn dort liegen sowohl die Mittel zur Bildung der seitlich begrenzenden Potentialschwelle als auch der Ablaufbereich auf festem Potential.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich erläutert.

P i g. 1 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer Fotofühlermatrix, einer Zwischenspeichermatrix für die Ladungssignale und einem Ausgangsregister;

F i g. 2a bis 2c zeigen Querschnitte durch verschiedene Formen bekannter Lichtfühlermatrizen, um zu veranschaulichen, wie die Strahlungsenergie (im vorliegenden Beispiel Lichtenergie) empfangen werden kann;

Fig.3 zeigt perspektivisch und teilweise im Querschnitt einen Teil einer zweiphasigen ladungsgekoppel-"5 ten Lichtfühlermatrix in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 4,5 und 6 sind verschiedene Schnittansichten des in F i g. 3 gezeigten Aufbaus;

F i g. 7 und 8 zeigen Signalverläufe für den Betrieb der μ in den Fig.3 bis 6 dargestellten Matrix auf zwei verschiedene Arten;

F i g. 9 zeigt die Potentialsenken, die beim Betrieb der Lichtfühlermatrix mit den in Fi g. 7 gezeigten Signalen gebildet werden;

Fig. 10 zeigt die Potentialsenken, die beim Betrieb der Lichtfühlermatrix mit den in F i g. 8 gezeigten Signalen gebildet werden;

Fig. 11 zeigt ein vierphasiges Steuersignal, welches für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Lichtfühlermatrix geeignet ist;

Fig. 12 zeigt die Matrix mit den Potentialschwellen, wie sie sich bei der Steuerung mit den in Fig. Il gezeigten Signalen ergeben;

Fig. 13a zeigt einen Querschnitt durch eine Fotofühlermatrix gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13b zeigt die Potentialsenken, die durch die an die Überstrahlungs-Sanimelschienen gemäß Fig. 13a gelegtem Potentiale entstehen;

Fig. 14a zeigt eine dritte Ausführungsform der Lichtfühlermatrix;

Fig. 14b und 14c zeigen die Potentialsenken, die sich während des Betriebs der Matrix nach F i g. 14a bilden;

Fig. 15 zeigt die Matrix nach F i g. 14 in Richtung der Kanäle und die während ihres Betriebs gebildeten Potentialsenken.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält eine Lichtfühlermatrix 10, eine Zwischenspeichermatrix 12 mit derselben Anzahl von Stellen oder »Plätzen«, wie die Matrix 10, und ein Ausgangsregister 14 mit einer Anzahl von Stufen, die der Anzahl der Stellen in einer Reihe der Matrix 10 entspricht. Im Betrieb der Lichtfühlermatrix erzeugt ein auf die Matrix projiziertes Strahlungsbild (z. B. ein sichtbares oder ein Infrarotbild) jeweils ein Ladungssignal an den Fühlstellen 16a, 16i> usw. Im einzelnen wird bei einem ladungsgekoppelten System der dargestellten Art eine Elektrode wie z. B. 16a anfänglich auf irgendeinem festen Potential gehalten, welches so bemessen ist, daß an der Oberfläche des Substrats 18 Ladung gespeichert werden kann. Durch auf das Substrat treffende Strahlungsenergie werden Minoritätsträger (das »Ladungssignal«) erzeugt, die sich auf der Oberfläche des Substrats 18 unmittelbar unter der Elektrode (z. B. 16a^ ansammeln. Die Menge der während der Belichtungszeit (manchmal auch Integrationszeit genannt) angesammelten Ladungsträger ist proportional dem Betrag der eine Fühlstelle erreichenden Strahlungsenergie.

Nachdem sich eine ausreichende Zahl an Ladungsträgern angesammelt hat, werden die Ladungsträger aus der Lichtfühlermatrix in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben. Diese Verschiebung geschieht bei dargestellten Ausführungsbeispiel mittels zweier, jeweils zwciphasiger Spannungen Φμ. Φαί und Φβ\, Φβ2. (Ein dre; oder vierphasiger Betrieb ist ebenfalls möglich.) Während der Verschiebung ist Φα\ =Φβ\ und Φα2 = Φά-Nachdem die von der Matrix 10 gefühlte Information in ihrer Gesamtheit in die Zwischenspeichermatrix 12 verschoben worden ist, wird sie weiter, jeweils eine Reihe gleichzeitig, aus der Zwischenspeichermatrix 12 zum Ausgang des Registers 14 geschoben. Während dieses letztgenannten Schiebevorgangs kann die Lichtfühlermatrix 10 wieder in einen zur Aufnahme eines Bildes bereiten Zustand versetzt werden.

Die Verschiebung des Inhalts der Matrix 12 in das Register 14 erfolgt mittels der Zweiphasenspannung Φ ei. Φβι- Jedesmal wenn die Information einer Reihe in das Ausgangsregister geschoben wird, gelangt sie mi! Hilfe der Zweiphasenspannung Φα, Φα von diesem zur Ausgangslcitung 20. Die beiden Spannungen Φη, Φα haben natürlich eine viel höhere Frequenz als die beiden Spannungen Φ si, Φβι-

In der Praxis kann die Verschiebung des Inhalts der Fotofühlermatrix 10 in die Zwischenspeichermatrix 12 während einer Zeitspanne erfolgen, die dem Vertikalaustastintervall des handelsüblichen Fernsehens entspricht, d. h. während einer Zeitspanne von beispielsweise 900 MikroSekunden. Das Ausgangsregister 14 kann beispielsweise in 10 Mikrosekunden gefüllt werden, d. h. während des Horizontalrücklaufintervalls. Der Inhalt des Registers kann Bit für Bit während des Hon/.ontalhinlaufintervalls (50 Mikrosekunden) in die Ausgangsleitung geschoben werden.

In den Fig. 2a, 2b und 2c ist gezeigt, wie in einer Matrix (z. B. in der Matrix 10) Licht empfangen werden kann. Bei dem einfachen Aufbau nach F i g. 2a, wo die ladungsgekoppelten Elektroden aus strahlungsundurchlässigem Metall wie z. B. Aluminium gebildet sind, wird d;e Strahlungsenergie (z. B. Lichtenergie) durch die obere Oberfläche empfangen und kann das Siliziumsubstrat durch die Zwischenräume zwischen den Aluminiumelektroden erreichen. Bei dem in F i g. 2b gezeigten Aufbau sind einige Elektroden aus Aluminium und andere aus transparentem Polysilizium. Auch hier gelangt das Licht des Bildes von der oberen Oberfläche der Matrix zur Substratplatte. Der durch die Polysilizium Elektroden dringende Teil des Lichts hat zur Folge, daß sich unter diesen Elektroden Ladungsträger an der Oberfläche des Siliziumsubstrats ansammeln.

Es ist auch möglich, die Substratplatte von unten zu belichten. Ein hierfür geeigneter Aufbau ist in Fig. 2c dargestellt. An denjenigen Stellen, wo das Licht empfangen werden soll, ist das P-Ieitende Substrat dünner und mit einer verhältnismäßig dünnen P+-leitenden Schicht versehen, um eine Oberflächen-Rekombination zu verhindern. Der Aufbau der Elektroden ist wie gewöhnlich und in der F i g. 2c nicht gezeigt

Bei allen den dargestellten Matrixanordnungen bringt eine Überbelastung mit Strahlungsenergie Probleme mit sich. Das an einer Fühlstelle erzeugte überstarke Ladungssignal (Minoritätsträger) ergießt sich sowohl in den ladungsgekoppelten Kanal als auch in die benachbarten Kanäle, wodurch im ausgelesenen Bild ein Überstrahlen auftritt

Die F i g. 3—6 zeigen Beispiele für eine Lösung dieses Problems. Die Iadungsspeichernden Elektroden sind wie sonst ausgebildet und setzen sich zusammen aus Elektroden 20a, 22a, 24a usw., die aus Aluminium bestehen können, und aus Elektroden 225, 24b und ·;< > weiter, die entweder aus Aluminium oder Polysilizium bestehen können. Für den vorliegenden Fall sei angenommen, daß die letztgenannten Elektroden aus Polysilizium bestehen. In der speziell dargestellter Anordnung liegen die b-Elektroden wesentlich dichter am Substrat als die a-Elektroden, und jede b-Elektrode

_t0 ist mit jeweils einer zugeordneten a-Elektrode elektrisch verbunden. Dies hat den Zweck, unsymmetrische Senken im Substrat zu bilden, wenn Spannungen an die Elektroden gelegt werden. Durch die Unsymmetrie der Senken wird sichergestellt, daß der Ladungsfluß in nur

,r einer Richtung erfolgt, wenn zweiphasige Steuerspannungen verwendet werden. Alles dies ist bereits in der deutschen Patentanmeldung P 22 01 150.3 beschrieben Die in der besagten Patentanmeldung beschriebener anderen Elektrodenanordnungen sind ebenfalls geeignet für den weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau.

Die Verbesserung bei dem hier zu beschreibender Aufbau besteht in der Sammelschiene 30 gegen das »Überstrahlen« und in der ihr zugeordneten Elektrode

32. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung, wo das Substrat aus P-leitendem Silizium besteht kann die Sammelschiene 30 eine N⁺ -Diffusionszonc irr Silizium sein. Diese Sammelschiene wird auf einerr Potential gehalten, bei welchem sie als »Drain« (Abfluß] für Minoritätsträger wirkt, die im vorliegenden Beispie Elektronen sind. Ein geeignetes Potential ist +10 Volt wie in F i g. 6 gezeigt.

Die der Sammelschiene 30 zugeordnete Elektrode 32 verläuft nahe der Sammelschiene und in deren Länge Vorzugsweise ist die Elektrode 32 breiter als die Sammelschiene 30 und überragt deren beide Ränder Die Elektrode 32 wird auf wesentlich niedrigcrem Potential als die Sammelschiene 30 gehalten, beispielsweise auf + 5,8 Volt.

Die Funktion einer solchen Elektrode 32 bestehl darin, um die Sammelschiene herum Bereiche mil Oberflächenpotential zu schaffen (44 und 46 in F i g. 6) die unabhängig von den der Matrix angelegter Mehrphasenspannungen gesteuert werden. Diese Bereiehe können sinngemäß mit »Überstrahlungssperren« bezeichnet werden. Eine einem Auflösungselement der Matrix entsprechende Potentialsenke, wie sie bei 40 ir Fig. 6 dargestellt ist, wird rechtwinklig zu derr ladungsgekoppelten Kanal durch die Überstrahlungssperren begrenzt. Die Senke ist außerdem in der Richtung des ladungsgekoppelten Kanals begrenzt Letzteres wird erreicht durch die Übertragungselektroden (z. B. 20a, 24a) zwischen Stufen des Kanals, welche die Potentialschwellen (wie z. B. 43 und 45 in Fi g. 9b] erzeugen. Die Potentiale, auf welchen die Elektroden 32 32a gehalten werden, sind sorgfältig so gewählt, daß die Potentialberge 44, 46 nach F i g. 6 niedriger sind als die Potentialberge 43, 45 nach Fig.9b zwischen der Fühlstellen eines Kanals. Das Oberflächenpotential be 44, 46 sei beispielsweise +4 Volt und bei 43, 45 sei e; + 3 Volt Sollte ein Überstrahlen vorkommen, danr fließt daher die überschüssige Ladung über die niedrigere Überstrahlungssperre zur Sammelschiene und kann daher eher von dieser fortgeleitet werden ah von einer Fühlstelle in einem Kanal zur nächstbenach harten Fühlstelle dieses Kanals zu fließen.

Die Funktion der Sammelschiene 30 und dei zugeordneten Elektrode 32 ist am deutlichsten in dei

7 8

F i g. b und der Fi g. 9b zu erkennen. Die Fi g. 6 zeigt das können auf mehrere verschiedene Arten betrieben

Profil des Oberflächenpotentials über die Breite eines werden. Fig. 7 veranschaulicht eine Betriebsweise, bei

ladungspekoppeltcn Kanals, und Fi g. 9b zeigt das Profil welcher während der optischen Integrationszeit eine

des Oberflüchenpotentiü''·* iürigs der Länge eines Gruppe der Elektroden auf +10 Volt und die andere

ladimgsgckoppeltcn Kanals. Für den vorliegenden Fall 5 Gruppe auf +14 Volt während der Ladungsüberlia-

sei angenommen, daß die Polysiiizium- Elektrode 22b auf gung gehalten werden, wobei den Elektroden zwei sich

einer Spannung von +14 VoIi gehalten wird. Infolge überlappende Spannungen eines Zweiphasensignals

dieser Spannung bildet sich eine Potentialsenke im angelegt werden. Die sich hierbei ergebende Arbeits-

P leitenden Siliziumsubstral, und zwar unmittelbar weise ist in Fig.9 dargestellt. Während der Integra-

unterhalb des dicht am Substrat liegenden Teils der io tionszeit bilden die mit Φ^= 14 Volt beaufschlagten

Elektrode. Es sei ferner angenommen, daß Licht- oder Elektroden relativ tiefe Potentialsenken an den

andere Strahlungsenergie von unten auf das Substrat Fühlstellen, und die mit Φλι = 10 Volt beaufschlagten

projiziert wird. Schließlich sei angenommen, daß das Elektroden bilden flachere Senken. Die Überstrahlungs-

Substrat den in Fig. 2c gezeigten Aufbau hat (in den sperren-Elektrode 32, die auf +5,8 Volt gehalten wird,

Fig.6 und 9b nicht zu sehen). Das dieses Substrat 15 schafft eine Potentialschwelle in Höhe von +4 Volt an

erreichende Licht erzeugt Elektronen als ivünoriiäisirä- der Oberfläche des Substrats. Dies ist mit der

ger, die in der Potentialsenke 40 gespeichert werden. strichpunktierten Linie gezeigt. Die anderen angegebe-

Diese Senke ist natürlich nur ein Schema, wie man sich nen Werte beziehen sich auf Potentiale an der

die Speicherung der Ladung an der Grenzschicht Oberfläche des Substrats. Somit bewirken die 14 Volt an

zwischen der Oberfläche des Substrats und der 20 der Elektrode 226 ein Oberflächenpotential von 9 Volt,

Isolierschicht, d. h. einer Siliziumdioxydschicht, vorstel- während die 14 Volt an der Elektrode 22a ein

len kann. Oberflächenpotential von + 5 Volt zur Folge haben. Die

Wenn diese Ladungsspeicherstelle nur mäßig viel an den Elektroden 20b und 24b liegenden 10 Volt

Strahlungsenergie empfängt, dann füllt sich die Poten- bewirken ein Oberflächenpotential von 6 Volt, und die

tialsenke 40 der Fig. 6 bis auf ein Niveau, wie es mit der 25 an den Elektroden 20a und 24a liegenden 10 Volt

gestrichelten Linie 42 angedeutet ist. Diese Ladung wird bewirken die 3 Volt hohen Kanalbarrieren 43 und 45.

örtlich begrenzt durch die Potentialschwellen 44 und 46, Der Wert für Φ,«= 14 Volt wurde gewählt, um die

die durch die Elektroden 32 und 32a hervorgerufen angesammelte Ladung auf ein Maximum zu begrenzen,

werden, und durch die Kanalbarrieren 45, 47, 49, die welches durch die sich überlappenden 10-Volt-Mehr-

durch die Aluminiumelektroden 24a, 26a und 28a 30 phasensignale mit 10 Volt Gleichvorspannung übertra-

hervorgerufen werden (wie in den Fig. 9a und 9b gen werden kann.

gezeigt). Die Überstrahlungssperren 44 und 46 entste- Die F i g. 9b zeigt den Empfang von zwei verschiedenen durch den verhältnismäßig niedrigen Spannungs- nen Lichtintensitäten. Das die Elektroden 20 und 22 wert von z. B. +5,8 Volt, auf dem diese Elektroden 32 erreichende Licht ist relativ stark, so daß die gehalten werden, sowie durch die räumliche Anordnung, 35 betreffenden Potentialsenken im wesentlichen »gefüllt« d. h. das Überstehen der Ränder der Elektroden 32, 32a werden. Das die Elektroden 24 und 26 erreichende Licht über die Ränder der Sammelschiene 30. Die Kanalbar- ist viel schwächer, so daß sich an den entsprechenden rieren 45 und 47 entstehen durch die an der Stellen weniger Ladung ansammelt.
Aluminiumelektrode 24a liegenden 10 Volt und die an Nach der optischen Integrationszeit, die in Fi g. 7 mit der Elektrode 22a liegenden 14 Volt. 4° »optische Erfassung« bezeichnet ist, beginnt die

Wenn mehr Strahlungsenergie auf eine Fühlstelle zweiphasige Taktspannung. Hierdurch wird die Ladung

trifft, dann reicht die erzeugte Ladung zum Auffüllender zum Fließen veranlaßt. Zum Zeitpunkt fi haben die |

Senke aus, wie es mit der gestrichelten Linie 48 in F i g. 6 Potentialsenken den in Fig. 9c gezeigten Zustand. Die |

gezeigt ist. (Das höchste Niveau, bis zu dem die Senke gesamte unter den Elektroden 20, 22 vorhandene

aufgefüllt werden kann, wird durch die Höhe der von 45 Ladung hat sich nun unter der Elektrode 226

den Elektroden 32, 32a usw. gebildeten Potentialberge angesammelt. In ähnlicher Weise hat sich die unter den

bestimmt, da die Barrieren bzw. Schwellen 43 und 45 Elektroden 24, 26 befindliche Ladung unter der

unter den Aluminiumelektroden 20a und 24a in Fig. 9b Elektrode 26b angesammelt. Während der nachfolgen- _f

noch höher als diese Potentialberge sind.) Wenn jedoch den Zeitabschnitte wandert die Ladung weiter nach |

die Strahlungsenergie diese Intensität übersteigt, dann 5° rechts. Im Falle der F i g. 1 bedeutet dies, daß die Ladung

ergießt sich das Ladungssignal über die Überstrahlungs- entlang den Spalten der Lichtfühlermatrix nach unten

sperren 44 und 46 und wird durch die Sammelschienen und in die Zwischenspeichermatrix wandert.

30 und 30a aus der Matrix fortgeleitet. Die Fig. 8 zeigt den Betrieb mit Wellenformen, die

Wenn die erfindungsgemäßen Sammelschienen 30, sich nicht überlappen. Die während der Integrationszeit 30a nicht vorhanden wären, dann würde das Ladungs- 55 gebildeten Potentialsenken sind in F i g. 10b gezeigt, und signal entweder auf andere Fühlstellen überfließen und der Ladungsfluß ist in F i g. 10c dargestellt. Bei diesem in sich dort ansammeln oder es würde sich entlang in den Fig. 10 veranschaulichten Beispiel wird die Vorspanladungsgekoppelten Kanal ergießen oder es wurden nung während der Integrationszeit auf 9 Volt verminauch beide Fälle eintreten. Die bei dem vorliegenden dert, um die Gesamtladung, die sich an jedem System vorgesehenen Polysilizium-Elektroden 32 und 6° Auflösungselement ansammeln kann, zu begrenzen. Es 32a bilden aber immer noch Potentialsenken zur sei bemerkt (vgl. Fig. 10b), daß für jedes Auflösungselegegenseitigen Trennung der Kanäle, selbst wenn die ment zwei Potentialsenken vorhanden sind, die (bis zur Sammelschienen 30, 30a usw. fehlen. Wenn ein Überstrahlungssperre) angefüllt werden können, daß ausreichend niedriges Potential aufrechterhalten wird, jedoch nur eine angefüllte Senke übertragen werden dann verhindern die besagten Elektroden, daß die ⁶5 kann (wie in F ig. 1Od für t=t₂ gezeigt),
überschüssige Ladung in einem Kanal auf den nächsten An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Wahl der Kanal übergeht Elektrodenspannung für die optische Integrationszeit

Die im vorliegenden Fall verwendeten Matrizen beim vorliegenden Beispiel so getroffen ist, daß die von

ίο

jedem Auflösungselement iruiximal erfaßte Ladung nicht größer ist als die größtmögliche Ladung, die noch aus der Matrix heraustransportiert werden kann. Eine andere Möglichkeit zur Kontrolle der maximal erfaßten Ladung besteht darin, das den Elektroden 32, 32a angelegte Potential zu ändern. Diese Art der Kontrolle wird später an Hand der F i g. 14 beschrieben.

Bei der in Fig. 10b gezeigten Arbeitsweise wirken alle a-EIektroden als Sperrelektroden zur Verhinderung eines Ladungsflusses von einer Fühlstelle eines Kanals zur nächsten Fühlstelle in demselben Kanal. Wenn die an irgendeiner Fühlstelle vorhandene Ladung den durch die Elektroden 32 bestimmten Pegel übersteigt, dann fließt diese Ladung in die Sammelschiene. Da die an den Kanalbarrieren unter den a-EIektroden durch Licht hervogerufene Ladung die Neigung hat, in die Sammelschiene 30 zu fließen, ist die in Rede stehende Anordnung etwas weniger empfindlich als die in F i g. 9b gezeigte Anordnung, wo nur jede zweite a-Elektrode während der Integrationszeit als Sperrelektrode wirkt und wo der Aufbau so getroffen ist, daß sich tiefere Senken bilden, die mehr Ladung ansammeln können. Die in Fig. 10b gezeigte Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß dort während der Übergabe des Bildes kein Oberstrahlen auftritt.

Die in den Fig. 7 und Il veranschaulichte Verwendung von sich überlappenden Taktimpulsen macht es mögnih, daß je Stufe eine hohe maximale Ladung übertragen werden kann. Bei sehr starken Überbelastungen jedoch, die so groß sind, daß während der Übertragung des Ladungssignals von der Lichtfühlermatrix zur Zwischenspeichermatrix ein Überstrahlen stattfinden kann, ist die Überstrahlungskontrolle nicht mehr wirksam, wie es mit der gepunkteten Linie in Fig. 9 für Φ_Α\ = Φα2 = 20 Volt gezeigt ist. Der Grund hierfür ist, daß das Potential der Überstrahlungssperre (+4 Volt) weniger positiv als das Oberflächenpotential ( + 6 Volt) unter den Aluminiumelektroden 22a, 2Aa während derjenigen Zeiten ist, wo die Impulse der Spannungen Φα\ und Φαί den gleichen positiven Maximalwert haben (z. B. zum Zeitpunkt fe in F i g. 7). Daher fließt die überschüssige Ladung nicht über den 4 Volt hohen Potentialberg zur Sammelschiene, sondern wandert stattdessen über den niedrigeren Potentialberg ( + 6 Volt) zur nächstbenachbarten Speicherstelle im selben Kanal.

Bei einem Betrieb mit sich nicht überlappenden Taktimpulsen, wie er in den Fig. 8 und 10 veranschaulicht ist, kann kein Überstrahlen während des Übertragungsvorgangs auftreten. In diesem Fall ergeben sich bei sehr starker Überbelastung mit Strahlungsenergie lediglich sogenannte »Fahnen«. Das heißt, obwohl die optische Überlastung auf ein Auflösungselement begrenzt ist und obwohl durch die Sammelschiene ein Streuen der Ladung längs des Kanals oder in benachbarte Kanäle verhindert wird, kommt es bei genügend starker Überbelastung vor, daß sich das nach dem Punkt der Überbeiastung übertragene Element mit Ladung füllt. Die hierdurch auftretenden Fahnen (auch Verschmierung oder Nachzieheffekt genannt) erscheinen nur bei sehr starken Überbelastungen, da die Verweilzeit eines bestimmten Elements an einer Stelle typischerweise um ein Vielfaches kürzer (etwa lOOmal kürzer) als die Integrationszeit ist Außerdem entspricht der durch die Fahnen gestörte Bereich nur demjenigen Teil einer vertikalen Linie, der während der Auslesung den Punkt der Überbelastung überstreicht.

Die Überstrahlungskontrolle wurde in den vorangegangenen Beispielen für den Fall von ladungsgekoppelten Bildaufnahmegeräten des Zweiphasentyps beschrieben. Im Grunde kann dieselbe Art der Überstrahlungskontrolle auch bei einem Gerät des Vierphasentyps 5 oder des Dreiphasentyps angewendet werden. In diesem Fall kann die Überstrahlungskontrolle sowohl während der Erfassungszeit als auch während der Zeit der Ladungsübertragung erfolgen, indem man die Elektroden für die Überstrahlungssperre auf konstantem Potential hält. Während der optischen Erfassungszeit braucht man nicht eigens auf die Begrenzung des erfaßten Ladungssignals zu achten. Diese etwas einfachere Überstrahlungskontrollc ist deswegen möglich, weil im Falle von Dreiphasen- oder Vierphasen-Matrizen während eines Teils des Arbeitszyklus nur eine einzige Potentialsenke vorhanden ist, die unter nur einer Elektrode aus einer Elektrodengruppe liegt. Im Augenblick dieses ZustanJi fließt die gesamte Ladung in die für jede Stufe einzige Potentialsenke. Wenn nun das Gesamtsignal zu stark ist, ergießt es sich über die Überstrahlungssperre in die Sammelschiene. Dies ist in den F i g. 11 und 12 veranschaulicht.

In der Fig. 12a ist gezeigt, wie die Elektroden an eine vierphasige Spannungsversorgung angeschlossen sind.

Während der Integrationszeit können Λ·π Elektroden Gleichspannungen zugeführt werden. Während der Auslesung erhaitei, Jie Elektroden die in Fig. 11 gezeigten Sign-'¹"'. Ilen. Der Ladungsfluß geht aus den F i g. 12b und 12c hervor.

Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform eines mit 4 Phasen gesteuerten ladungsgekoppelten Bildfühlers unter den Polysilizium- und Aluniiniumelektroden Kanäle gleicher Oxydstärke aufweist, sei für den Fall der F i g. 12a angenommen, daß die Kanäle unterschiedliche Oxydstärken haben, wie in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt. Daher sind, um den gewünschten Vierphasenbetrieb zu zeigen, die Taktspannungen wie in Fig. 11 gewählt. Es sei jedoch hervorgehoben, daß im Falle von Kanälen ein und derselben Oxyddicke der in den Fig. 12b und 12c dargestellte Betrieb erreicht werden kann, wenn man Taktspannungen mit denselben Amplituden für alle Phasen verwendet.

Alles oben Gesagte soll lediglich deutlich machen, daß der Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung nicht von der speziellen Art abhängt, wie die Ladungen im einzelnen geführt werden (obwohl einige Arten gegenüber anderen gewisse Vorteile haben). Bei erfindungsgemäßen Anordnungen wird verhindert, daß die an einer Lichtfühlstelle durch starke optische Überbelastung hervorgerufene überschüssige Ladung ein Überstrahlen verursacht, welches durch Streuung des Ladungssignals sowohl längs des CCD-Kanals als auch zwischen benachbarten ladungsspeichernden Kanälen entstehen könnte.

Nachstehend sind typische Zahlenwerte für die Dimensionierung der bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung (Dimensionen nach F i g. 3) genannt:

X₁ = 500 Ä

X₂ = 1000 Ä

X₃ = 2400 A

A₄ = 1000A

Xs = 1700 A
Dotierung des Substrats = 10¹⁶ cm -³

Der Aufbau der bisher beschriebenen Matrix ist derselbe wie gemäß der deutschen Patentanmeldung

P 22 Ol 150.3. Die speziell angegebenen Oxydstärken gelten jedoch für thermisch gewachsene Oxyde in HCI-Dampf bei 900°C. Die Oxydstärken X₁, X₂ und X_s werden auf die gewünschte Dicke anwachsen gelassen, während die isolierenden Oxydstärken X* und X^ auf den Polysilizium-Elektrodcn den Werten entsprechen, die sich grob aus den Wachstumsgeschwindigkeiten von SiO2-Polysi!i/ium errechnen.

Die Polysilizium-Elektroden in den beschriebenen Anordnungen können beispielsweise folgendermaßen gebildet werden: Zunächst wird in HCI-Dampf von 900⁰C eine 500 Ä dicke Oxydschicht (ΑΊ) gezüchtet. Darauf wird die undotierte Polysiliziumschicht vor. etwa 5000 Ä Diele niedergeschlagen Die r-rste Polysili/iumschichi, d. h. die EleHroden für die Überstrahlungssperre, wird durch eine in dem gewünschten Muster eingebrachte Bor-Doticrune definiert. Dann werden die undotierten Polysiliziumbereiche entfernt, was mittels einer heißen KOl !-.'¹We geschieht, die für das stark mit Bor dotierte Polysilizium eine viel langsamere Ätzgeschwindigkeit entwickelt. Da die heiße KOH-Ätze das S1O2 nicht angreift und da die zur Definierung des Bor-Dotierungsmusters herangezogene SiO2-Maske vor dem Beginn der KOH-Ätzung vom Polysilizium entfernt wird, bekommt das Polysilizium bei diesem Verfahren sehr glatte Ränder, ohne daß das S1O2 unter den Polysilizium-Elektroden unterschnitten wird. Die auf diese Weise gebildeten Polysilizium-Elektroden sind durch thermisch gezüchtetes SiO₂ (X*. ebenfalls in HCI-Dampf von 900"C gezüchtet) isoliert. Diese Schicht (Xi₁) wird zur selben Zeit gebildet, wo auch das »Kanaloxyd« (X₂) für die zweite Lage der Polysilizium-Elektroden bis zur gewünschten Dicke gezüchtet wird. Das selbe Verfahren wird wiederholt, um die isolierende Oxydschicht (Xs) zu bilden, wenn das Kanaloxyd X] bis zur gewünschten Dicke gezüchtet wird.

Ein anderer Weg zur Erreichung eines ähnlichen Aufbaus, jedoch mit einer einzigen Kanaldicke, ist die Verwendung eines mehrschichtigen Kanaloxyds, beispielsweise S1O2—AbOj oder S1O2—S13N4 für das erste Oxyd. Da AI2O5 oder S13N4 das Wachstum des SiO₂ an der S1O2—Si-Grenzschicht praktisch stoppt, können in diesem Falle beide Ebenen des Polysiliziums durch ein thermisch gezüchtetes S1O2 isoliert werden, während das Kanaloxyd für alle Elektroden im wesentlichen konstant bleibt.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 13 dargestellt. Das Substrat besteht hier aus N-leitendem Silizium. Die Sammelschiene 50 besteht aus einer P⁺-Diffusion in dem N-Ieitenden Siliziumsubstrat. Die Elektrode 52 besteht aus P+-leitendem Polysilizium und ist mit der P+ -Diffusionszone 50 verbunden.

In diesem Fall erfolgt die Diffusion der Sammelschiene durch Ausdiffundierung aus den P⁺-leitenden Elektroden für die Übertragungssperren, wodurch eine einzelne Sammelschiene entsteht. Die Wirkungsweise dieses Aufbaus ist ähnlich wie weiter oben beschrieben, nur daß nun die Differenz zwischen dem Potential der Überstrahlungssperre und dem Potential der durch Diffusion gebildeten Sammelschiene in der Größenordnung von 1 Volt liegt. Diese relativ kleine Potentialdifferenz beschränkt den Höchstwert des Stromes, der von der Sammelschiene geleitet werden kann. Der tatsächliche Wert dieser Potentialdifferenz entspricht der MOS-Inversionsschwellenspannung und hängt ab von der Dotierung des Substrats, der Dicke der SiO2-Schicht unter den Elektroden für die Überstrahlungssperre und der festen Ladung in dieser Oxydschicht. Die in Fig. 13 gezeigte Ausführungsform dieses Typs enthält ladungsgekoppelte Elemente mit P-Ieitendem Kanal, weil in diesem FnII die gewöhnliche positive feste Ladung im Uxyd die Potentialdifferenz zu vergrößern trachtet. Es sei jedoch erwähnt, daß bei Oxyden mit ^iner festen Ladung von praktisch Null ähnliche Strukturen auch für ladungsgekoppelte Elemente mit N-leitendem Kanal verwendet werden können. Natürlich müssen in diesem letzteren Fall die Polysilizium-Elektroden mit N+ -Dotierung hergestellt werden.

Die Arbeitsweise der in big. Ii dargestellten Ausführungsform ist im wespn'lichcn wie weiter oben beschrieben, nur daß das Potential der diffundierten Sammelschiene nunmehr unabhängig vom Potential der Überstrahlungssperre gesteuert werden kann. Wie in den weiter oben beschriebenen Fällen ist bei einer Sammelschienenspannung von -5,8 Volt das resultierende Potential der Überstrahlungssperre etwa —4 Volt, vorausgesetzt, dall im Oxyd keine feste Ladung vorhanden ist.

Zur Fdäuterung des Betriebs der bis hierher beschriebenen Anordnung zur Überstrahlungskontrolle sei angenommen, daß die den Sammelschienen angelegte Spannung Vbbus und die den Elektroden für die Überstrahlungssperre angelegte Spannung VeBr konstant ist. Wie jedoch in Fig. 14 gezeigt, hat man durch Änderung der obengenannten Spannung eine zusätzliche Steuermöglichkeit für den Betrieb des ladungsgekoppelten Bildfühlers.

Zunächst seien die Fälle betrachtet, wo dns in Fig. 14b gezeigte Potential Ve-Brder Elektrode für die Überstrahlungssperre gesteuert wird. Das maximale Ladungssignal, welches in der Potentialsenke unter irgendeiner Elektrode gespeichert werden kann, läßt sich durch Einstellung dieses Potentials Vs-Br festlegen. Eine solche Einstellung legt den Sättigungswert des erfaßten Ladungssignals fest und kann beispielsweise eine Methode sein, um das maximale Ladungssignal festzulegen, welches während der optischen Integrationszeil in einem Auflösungselement gesammelt werden kann. Im Extremfall, wenn die Überstrahlungssperre positiver als das Oberflächenpotential im ladungsgekoppelten Kanal gemacht werden kann, wird die gesamte in dem Kanal eingeführte Ladung zur diffundierten Sammelschiene fließen.

Zwei nützliche Anwendungen dieses Effekts sind in der Fig. 15 veranschaulicht. Fig. 15b zeigt mit dem Profil des Oberflächenpotentials längs des ladungsgekoppelten Kanals die Art der optischen Signalerfassung, bei welcher die unter den Elektroden 20b und 246 erfaßte Ladung gesammelt wird, während die unter den übrigen Elektroden erfaßte Ladung sowohl zur Sammelschiene als auch zu den Senken unter den Elektroden 206 und 246 fließt. Mit dieser Art der Steuerung kann das Auflösungsvermögen der Lichtfühlermatrix verbessert werden, wenn man das Ladungssignal unter verschiedenen Elektroden von Bild zu Bild abwechselnd erfaßt. In diesem Fall können die Überstrahlungssperren während des die Ladungsübertragung enthaltenden Teils des Zyklus angehoben werden, um den Ladungsübertragungsvorgang nicht zu stören.

Die zweite Art der Steuerung der Überstrahlungssperre ist in Fig. 15c veranschaulicht und kann zur Realisierung eines »Elektronischen Verschlusses« herangezogen werden. In diesem Fall kann so lange keine Ladung in der Potentialsenke angesammelt werden, wie

die Überstrahlungssperre auf einem höheren Potential als das maximale Potential im ladungsgekoppelten Kanal gehalten wird.

Schließlich kann man durch Steuerung des Sammelschienenpotentials Vb-bus(bei festem Potential Vesrder Elektrode für die Überstrahlungssperre) die Empfindlichkeit der Lichtfühlermatrix einstellen. Hiermit wird praktisch eine elektronische veränderbare Irisblende geschaffen. Eine solche Steuerung wurde bisher bei Silizium-Vidikons durchgeführt und läßt sich ebenso bei einem ladungsgekoppelten Bildfühler anwenden. Eine

derartige Empfindlichkeitssteuerung kann man auf folgende Weise erreichen: Wenn die diffundierte Sammelschiene mehr und mehr positiv gemacht wird, dann werden mehr und mehr optisch erzeugte Ladungsträger direkt zur Sammelschiene gezogen. Die größte Empfindlichkeitsabnahme wird erreicht, wenn die von den Sammelschienen gebildeten Verarmungszonen die dem CCD-Kanal entsprechenden Verarmungszonen vollständig umgeben. Eine solche Art der Empfindlichtkeitssteuerung ist für rote und infrarote Signale nicht so wirksam wie für kurzwelligere Signale.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Pfltpntansnriirhe- Sperre fur einen Ladungsfluß aus der betreffenden ratentansprucne. Speicherstelle in die nächstbenachbarte Speicherstelle

1. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühleranord- der Reihe führt, gemäß dem Oberbegriff des Patentannung, bestehend aus einem Substrat und mindestens spruchs 1.

einer Reihe von Ladungsspeicherstellen, die jeweils 5 Eine derartige Anordnung ist aus der Zeitschrift bei Erregung durch Strahlungsenergie Ladungen am IEEE Transactions on Electron Devices (Band ED-18, Substrat speichern und deren jede eine Elektroden Nr. 11, November 1971, Seiten 986 bis 992) bekannt Bei anordnung aufweist, weiche auf ein derartiges Po- Strahlungsfühleranordnungen dieser Gattung wird die tential legbar ist, daß sie zur Bildung einer Sperre an einer Speicherstelle gesammelte Ladung durch die für einen Ladungsfluß aus der betreffenden Spei- io Sperre, welche infolge des Potentials der jeweiligen cherstelle in die nächstbenachbarte Speicherstelle Elektrodenanordnung entsteht, so lange an dieser Stelle der Reihe führt, dadurchgekennzeichnet, aufbewahrt, bis sie durch kontrollierte Änderung des daß im Substrat neben der Reihe eine Sammel- Elektrodenpotentials weitergegeben wird. Man kann schiene (z. B. 30) eingebettet ist, die auf einem meherere solche Reihen von Ladungsspeicherstellen Potential gehalten ist, welches sie zu einem Abfluß 15 nebeneinander anordnen, um auf diese Weise eine für Ladungen macht; daß eine Elektrode (z. B. 32) Matrix aus Strahlungsfühlern zu bilden, mit der sich ein vorhanden ist, die zwischen der Reihe und der flächiges Bild aufnehmen läßt. Um eine Begrenzung Sammelschiene eine Potentialschwelle bildet, die zwischen den benachbarten Reihen zu bilden, sind im niedriger ist, als die besagte Sperre zwischen den bekannten Fall zwischen den einzelnen Reihen Metall-Speicherstellen in der Reihe, jedoch noch ausrei- 20 elektroden mit derartiger Vorspannung vorgesehen, chend hoch, um das Ansammeln merklicher La- daß sich an diesen Orten flache Verarmungszonen bildungsmengen an einer Speicherstelle als Antwort den. Diese Zonen sollen verhindern, daß die in der einen auf deren Erregung mit Strahlungsenergie zu ge- Reihe befindliche Ladung in die benachbarte Reihe statten, und daß Maßnahmen zum Verstellen des an übergeht.

die genannte Elektrode gelegten Potentials und 25 Wenn auf eine Reihe aus lichtfühlenden Ladungssomit zum Steuern der Höhe der Potentialschwelle speicherelementen Licht projiziert wird, welches in bezwischen der Reihe und der Sammelschiene ge- stimmten Bereichen sehr viel heller als in anderen Betroffen sind. reichen ist, dann werden die mit diesem intensiven Licht

2. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühleranord- (welches 10⁵mat heller als die mittlere Helligkeit des nungnach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,daß 30 auf die Gesamtreihe fallenden Lichts sein kann) bedie Sammelschiene (z. B. 30, 30a, in F i g.3 oder 50, strahlten Teile der Strahlungsfühleranordnung überbe-50a in Fig. 13) aus einer Diffusionszone des Sub- lastet. Im Falle ladungsgekoppelter Strahlungsfühler strats besteht, die von einem anderen Leitfähigkeits- kann die auf eine bestimmte Stelle treffende intensive typ als der Rest des Substrats ist. Strahlungsenergie unter Umständen viel mehr Ladung

3. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühleranord- 35 erzeugen, als von dieser Stelle gespeichert werden nung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kann. Es besteht dann die Gefahr, daß diese übermäßige die zur Bildung der Potentialschwelle vorgesehene Ladung vorzeitig durch die ladungsgekoppelte Reihe in Elektrode (32 oder 32a) vom Substrat beabstandet die benachbarten Ladungsspeicherstellen der Reihe und breiter als die Sammelschiene (z. B. 30) ist und fließt, indem sie die durch die Potentiale der Elektrodiese an mindestens einer Seite überragt und auf 40 denanordnung gebildeten Sperren überwindet. Beim einem anderen Potential gehalten ist als die Vorhandensein mehrerer benachbarter Ladungsspei-Sammelschiene. cherreihen kann die übermäßige Ladung unter Umstän-

4. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühleranord- den auch auf benachbarte Reihen übergreifen. Dieses nung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Überlaufen der Ladung äußert sich in beiden Fällen als so weite Veränderbarkeit des der Elektrode (z. B. 45 Leuchtflecküberhellung oder sogenanntes »Überstrah-32) angelegten Potentials, daß sich die Höhe der len« des aus der Anordnung ausgelesenen Bildes. Das Potentialschwelle zwischen jeder Reihe und der heißt mit anderen Worten, die Quelle der intensiven Sammelschiene (z.B. 30) ausreichend weit verän- Strahlungsenergie nimmt auf dem au ;gelesenen und andern läßt, um zumindest den größten Teil der sich schließend wiedergegebenen Bild eine viel größere ansonsten in den Reihen ansammelnden Ladung zur 50 Fläche ein als beim Original.

Sammelschiene abzuleiten und dadurch gleichsam Das Problem des Überstrahlens kann auch mit den

eine Verschlußsteuerung für die Matrix herzustellen. die Reihen seitlich begrenzenden Metallelektroden der

5. Ladungsgekoppelte Strahlungsfühlermatrix bekannten Anordnung nicht zur Zufriedenheit gelöst nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß werden. Wenn nämlich die durch die Elektroden-Maßnahmen zur Verstellung des an die Sammel- 55 anordnung zwischen den einzelnen Speicherstellen schiene (z. B. 30) gelegten Potentials getroffen sind. gebildeten Potentialsperren niedriger sind als die durch

die seitlich begrenzenden Metallelektroden gebildeten Potentialschwellen zwischen den Reihen, dann ergießen

sich die durch eine intensive Bestrahlung der Speicher-

60 stelle ergebenden überschüssigen Ladungsträger in die benachbarten Speicherstellen derselben Reihe. Wenn

Die Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Strah- andererseits die begrenzenden Potentialschwellen nielungsfühleranordnung, bestehend aus einem Substrat driger sind als die Sperren zwischen benachbarten und mindestens einer Reihe von Ladungsspeicher- Speicherstellen derselben Reihe, dann ergießt sich die stellen, die jeweils bei Erregung durch Strahlungs- *5 überschüssige Ladung über die seitlich begrenzenden energie Ladungen am Substrat speichern und deren Schwellen in die benachbarte Reihe. Im einen wie im jede eine Elektrodenanordnung aufweist, welche auf ein anderen Fall ergibt sich also das unerwünschte Überderartiges Potential legbar ist, daß sie zur Bildung einer strahlen.